|
9月20日清晨，长征六号一飞冲天。它的第一级使用YF-100发动机。这款发动机的海平面比冲为300秒。军迷朋友对“比冲”这个词应该很熟悉，可它的真实含义究竟是什么？ 很多人，尤其是对于军迷来说，看文章的时候，比冲这个词那可是一点儿也不陌生。然而对于不少人，包括笔者在内，“比冲”本质的是什么？确实是两眼一抹黑，理解的时候，更是牛头不对马嘴。  跟喷射时间真的没关系 几年前，每当看到文章说“RS-68火箭发动机”发动机很棒，在海平面其比冲为365秒，而在真空下为 410秒时，笔者就以为，这可能是说RS-68火箭发动机在大气环境下可以持续喷射365秒，而在真空下可以喷射410秒，在下居然这么去理解……实在是错得离谱。 实际上，这里的“365秒”和“410秒”跟火箭可以燃烧喷射多久，一毛钱关系都没有！ 那么，这里的“365秒”说的是什么呢？要想理解这个，咱们先来了解一下比冲。 比冲是对火箭引擎燃料利用效率的一种描述，火箭发动机单位重量的推进剂产生的冲量就是比冲！其标准国际单位“米/秒”。 咦，“米/秒”不就是速度单位吗？怎么比冲也是这造型？没错，比冲的单位跟速度的单位是一样一样的，那么，它的本质到底是什么呢？  比冲的本质就是燃料燃烧时的“喷流速度”！所以，很多文章会告诉你，比冲越大，发动机越厉害。这很好理解，无论是火箭发动机，还是飞机上的涡喷发动机，其提供动力的原理就是燃料燃烧并向后喷射，那么，根据动量守恒，喷射物的速度越大，其带给飞行器的反推力就越大。 既然比冲在本质上是描述喷流速度，为什么我们经常看到的单位是“秒”？这是因为，过去传统遗留的问题，比冲有两个单位，一个是传统上的以“秒”为单位，一个是按照国际单位标准的“米每秒”的单位。 比冲“秒”的单位，是按照比冲这种定义来的，即：比冲就是单位重量流量的推进剂产生的推力。 “重量流量”听上去是那么的别扭，它是过去的老单位，在国家标准中，已经没有这个名字。 但是习惯上，说比冲时，还是按照单位重量流量的推进剂产生的推力来计算，结果导出的就是秒的单位，可以理解为，火箭发动机利用一公斤燃料可以持续多少秒一直产生一公斤的推力。 以后我们还要在文章中多次见到以“秒”来说比冲，到时候，我们可以通过一个简单的换算就能把它轻易地转换为喷流速度，即把“秒”乘以一个标准重力g，也就是9.80665 m/s，然后就能换算成“米每秒”了，因为这两个不同的单位就相差一个g而已。为了简便，9.80665这个数值你大可以约等于10，所以，如果你以后看到某款发动机的比冲是365秒时，你可以乘以10，得到3650米/秒，然后你马上就能形象地理解了，哦，原来这款发动机的喷流速度是3650米/秒，如此，你就能轻易衡量比较很多款发动机的性能了。 关于比冲的误解 说完了比冲的本质，现在就能消除一些关于比冲的误解了： 例如，比冲跟发动机的推力大小无关，比冲只是描述了发动机的能源利用效率而已。 一些离子推进器，比冲可以达到10000秒，其喷流速度在100000米/秒左右，也就是速度100千米/每秒。虽然离子推进器的比冲很高，但它的推力极小，大概只可以吹动一张纸。 各国发动机比冲哪家强？  图为F-1火箭发动机，其海平面比冲为263秒（即喷流速度约为2.58千米/秒） F-1火箭发动机是由美国洛克达因公司设计制造的，它是一款煤油液氧发动机，用于土星五号运载火箭的第一级，曾服务于阿波罗登月计划。上图中，在发动机旁边站着的是沃纳·冯·布劳恩（1912年3月23日－1977年6月16日），他是普鲁士火箭专家，二十世纪航天事业的先驱之一，曾是著名的V1和V2火箭的总设计师。德国战败后，美国将他和他的设计小组带到美国，主持设计了阿波罗4号的运载火箭土星5号。NASA用以下的话来形容冯·布劳恩：“无庸置疑的，他是史上最伟大的火箭科学家。他最大成就是在担任NASA马歇尔空间飞行中心总指挥时，主持土星5号的研发，成功地在1969年7月首次达成人类登陆月球的壮举。”  图为RD-170火箭发动机的衍生型号RD-171。其海平面比冲为309秒（3.03千米/秒） RD-170是俄罗斯研制的世界最大推力液体火箭发动机，使用煤油和液氧，单台推力800吨，采用四燃烧室，四喷嘴设计，曾用于能源号运载火箭和天顶号运载火箭第一级。  图为RD-170的衍生型号RD-180火箭发动机，其海平面比冲为311秒（3.05千米/秒），其推力可达400吨，这相当于把RD-170一分为二，双燃料室，双喷嘴。曾用于美国擎天神II和擎天神III运载火箭的第一级 几个月前，俄罗斯副总理放出话，由于美国和欧洲因乌克兰问题对俄实施经济制裁，俄罗斯决定暂停对美出口RD-180火箭发动机，除非美国答应该火箭引擎仅用于发射非军事目的航天器。他是这样解释的：“使用俄罗斯人民的智力资源发射他们的军事载荷，去执行我们完全不了解的任务，不是很奇怪的事情吗？” 而美国的对策是什么呢？据说就是在禁令生效前，加速采购RD-180。  图为RS-68火箭发动机，其改进型号RS-68A的海平面比冲为359秒，真空中比冲为 412秒（4.04千米/秒） RS-68火箭发动机最大推力319吨左右，生产厂家为美国洛克达公司，使用液体氢和氧，目前，它是全球最大的氢燃料火箭发动机，其设计初衷主要是降低生产成本。  图为我国YF-100火箭发动机，其海平面比冲为300秒（2.9千米/秒）。9月20日发射的长征六号火箭的第一级，就使用了这款发动机 YF-100由中国航天推进技术研究院研制，为我国第一代120吨级分级燃烧循环的液氧煤油火箭发动机。其前身为上世纪90年代我国从前苏联获得的RD-120发动机。未来，YF-100火箭发动机将与YF-77氢氧火箭发动机一起成为我国新一代运载火箭的主要动力。 咳咳，一轮比拼下来，无疑，美国洛克达公司生产的RS-68火箭发动机，以“海平面比冲365秒，真空下 410秒”的成绩轻取桂冠。 |
|
|
